基于有限元法的高壓變頻器隔爆外殼設計

楊華

(中國煤炭科工集團上海有限公司， 上海 200030)

0 引言

為了滿足井下大型順槽帶式輸送機軟啟動要求，實現大功率高壓電機電氣軟啟動，需要研制大功率礦用高壓變頻驅動裝置。為了滿足煤礦安裝使用要求、以及電氣元器件和散熱器件布置要求，高壓變頻裝置的結構尺寸會比普通變頻裝置的尺寸大很多，這就加大了防爆外殼設計的難度。在常規的設計中，由于各種原因，很容易造成隔爆外殼強度的不足，導致設備安全性能不符合要求，通不過耐壓試驗，或是設計過于保守，又會造成設備笨重、成本高昂。因此，必須選用一種合理可靠的方法來設計隔爆外殼。

本文項目高壓隔爆變頻設計中，首先確定隔爆外殼的大致尺寸，再用三維軟件Creo設計出外殼的3D模型，然后采用ANSYS軟件對模型進行模擬壓力試驗，并進行殼體結構、材質改進。

1 建模及參數確立

本設計中的高壓變頻裝置是選取適合煤礦井下供電系統要求的高壓變頻器主回路結構，定型功率器件，并結合本單位在礦用隔爆兼本安型電氣設備殼體設計和大型順槽帶式輸送機對驅動裝置的軟啟/制動、調速性能要求等方面所積累的豐富經驗，完成礦用高壓變頻裝置內部核心控制單元開發、電氣元器件布局設計、隔爆型殼體設計制造以及散熱系統的設計制造，最終形成供電電壓為6 kV、額定容量為1 900 kVA的隔爆兼本安型高壓變頻裝置，以滿足大型順槽帶式輸送機電動機功率為1 400 kW的驅動要求。

本裝置采用的是強制水循環冷卻+風冷散熱方式進行散熱[1]。由于變頻器芯體與隔爆外殼需要配合設計，因此在盡可能壓縮變頻器芯體體積的情況下，先期得到變頻器芯體結構見圖1。

圖1 變頻器芯體結構

芯體結構尺寸確認后，留足芯體和殼體的間隙便得到隔爆外殼的內腔尺寸，用CREO初步畫出殼體的結構，圖2為初步設計的隔爆外殼圖。通過ANSYS和CREO的接口將初步設計的模型導入ANSYS中。

圖2 隔爆外殼初步結構

芯體結構尺寸確認后，適當放大便得到隔爆外殼的內腔尺寸，用CREO初步畫出殼體的結構，圖2為初步設計的隔爆外殼圖。通過ANSYS和CREO的接口將初步設計的模型導入ANSYS中。

在分析時用GLUE指令將模型中幾個檢修門和殼主體組合一起。殼體材料的彈性模量為E=2.0×105N/mm2，密度為ρ=7.8×10-6kg/mm3，泊松比為μ=0.3。在ANSYS中選擇單元類型為 Solid92，綜合考慮計算效率和計算機資源狀況，采用自動進行網格劃分，在自由劃分網格時設置精度為10 mm[2]。施加的載荷，即隔爆殼體內的爆炸壓力。

由于隔爆型外殼必須能承受內部爆炸性氣體混合物的爆炸壓力,并且要阻止內部的爆炸向外殼周圍的爆炸性混合物傳播。要求外殼有足夠的強度和剛度來承受內腔的爆炸壓力。保證在過壓試驗后外殼結合面不應有永久性變形，外殼也不應有影響防爆型式的損壞。根據GB 3836．2—2010的要求，爆炸壓力地按10 MPa計算[3]。

2 有限元分析結果

加載負荷后，進行有限元分析，求解后，可以得到隔爆殼體的應力分布云圖3、圖4。通過應力云圖可以看出，在殼體交角處應力較大，圖中淺色部位，應力在400 MPa左右，而個別應力點超過1 000 MPa。由于400 MPa區域的面積不算小，所以選用的殼體材料應選用許用應力大于400 MPa，根據計算結果，選用Q460鋼作為高壓變頻裝置的殼體材料。

圖3 箱體正面應力分布云圖

圖4 箱體背面應力分布云圖

為了進一步找出應力集中的點，以便于焊接工程師進行消除集中應力設計，將殼體剖開，以便于看到殼體內部應力分布云圖。圖5為檢修門內側應力圖，圖6為檢修門內側應力圖，圖7為上殼體內側應力圖。由圖中可以看出殼體前面板應力都在300 MPa以下，沒有應力集中情況；檢修門內側存在應力集中情況，焊接時需要消除集中應力；上殼體內側，加強筋和上板接觸的地方局部應力較大，也需要消除集中應力。

圖5 前面板內側應力

為了分析殼體形變情況，保證前面門的隔爆面不會被破壞，進一步運用ANSYS得出變形云圖，如圖8、圖9、圖10所示。從圖中可以看出，殼體整體形變量不大，形變最大的部位在殼體上部和背面，最大形變量為4.618 mm。圖10中可以看出檢修門處的形變都很小,不會引起檢修門板和殼體隔爆接觸面處的間隙不會永久性增大。

圖6 門內側應力

圖7 上殼體內側應力

圖8 殼體前面變形云圖

圖9 殼體背面變形云圖

圖10 殼體俯視變形云圖

以上分析可以得出，當殼體材料選擇Q460鋼以后，在加載1 MPa壓力載荷后，殼體整體只會發生塑性變形，外殼結合面不會發生永久性，外殼不會有影響防爆形式的損壞。

3 試驗驗證

按照模擬分析結果，設計出高壓變頻裝置的隔爆外殼，并焊接加工成型，如圖11。

圖11 高壓變頻裝置殼體成品

根據GB3836.2—2010中的規定，隔爆殼體需進行型式試驗。首先進行水壓試驗，試驗壓力為1 MPa，保持時間大于10 s。實際試驗情況，隔爆殼體在水壓達到1 MPa，并且保持60 s期間沒有發生影響隔爆殼體隔爆性能的滲水、漏水現象，門蓋稍有變形，泄壓后恢復形狀，水壓試驗合格[4]。殼體完成水壓試驗后，送檢測中心進行爆炸試驗，試驗過程中隔爆外殼能夠不發生破壞，并能很好地隔爆。

試驗證明，依據此次有限元分析結果，設計出來的隔爆外殼，機構合理，安全有效，能夠滿足煤礦井下安全要求。

4 結論

在本文的設計中，采用CREO設計3D模型，導入 ANSYS 軟件中進行仿真分析，便可以直觀地分析殼體的變形情況及受力情況，并且能夠方便地調節各參數，以改進設計方案，極大地提高了設計的效率，并節省了大量資金。而在做有限元分析之前，設計者需要正確地分析隔爆殼體結構的特點，尤其是特殊的受力特點，準確地了解載荷的分布情況，如受力位置、分布情況、載荷大小；同時，還要了解材料的力學性能、加工工藝。在運用軟件分析時，需要根據隔爆殼體結構特點，正確地選擇單元類型，合理地建立模型，并能施加合理的約束和載荷，才能得到正確的分析結果。設計人員必須結合相關力學知識，辨別分析結果的合理性，從而幫助我們來高效完成實際工作。